单片机第1章幻灯片

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1、单片机与接口技术,任课教师：杜晓 物理科学与电子技术学院,授课内容：8051单片机原理、接口技术、编程技术。 授课时数：48时，其中实验12课时（6个实验）。 前导课程：数字电路、模拟电路、 C语言 课程性质：考试科目。 作业要求：每周五下午前交作业，及时、认真地完成，交作业时取回前次作业。 成绩评定：期末考试60%，实验20%，平时20%,课程简介：,另外推荐的参考书：,1胡汉才.单片机原理及其接口技术（第二版）.清华大学出版社，2004年5月 （硬件） 2李朝青.单片机原理及接口技术（第三版）.北京航空航天大学出版社，2005年10月 （硬件） 3马忠梅.单片机的C语言应用程序设计（第四版

2、）.北京航空航天大学出版社，2007年2月 （软件）,作业交至： 办公室（逸夫实验楼 401室） 联系电话：15951556301 有问题需要讨论的： 上班时间请到办公室 或 单片机实验室 将问题发至： 或在作业中夹纸条提问.,联系方式：,在学习单片机的过程中，注意以下几个方面的问题： 1、从应用的角度掌握单片机的编程模型，熟练掌握单片机中各种特殊功能寄存器的使用、重要控制部件的操作方法。 2、熟悉单片机的汇编语言，能够编制较小的汇编语言程序。 3、重点学习C51语言，会用C51编写单片机程序。 4、熟悉Keil C51集成开发环境，熟悉程序编译、调试等过程。 5、注意学习各种常用接口器件的使

3、用，会编写相应的驱动程序。 比如：ADC、DAC、温度传感器、键盘/显示器接口电路、可编程并行I/O扩展器件等等。 6、加强模拟电路和数字电路的学习。 7、多动手、多实践、认真做好实验，有条件的可以自己购买单片机开发板。 8、推荐大家学习单片机系统仿真软件Proteus，用它来练习单片机系统设计。,对单片机学习的几点建议：,第1章 概 述,1.1 单片机的基本概念 1.2 单片机的发展 1.3 单片机的特点及应用 1.4 单片机的类型与常用单片机系列,本章重点： 1、单片机的特点及其与通用微机的区别。 2、MCS-51系列单片机的特点。,何谓单片机？ 单片机：全称为 单片微型计算机，由于主要应

4、用于控制领域，因此又称“微控制器”（ MCU）。是将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上 的微型计算机。,1.1 单片机的基本概念,1946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC （Electronic Numerical Integrator and Calculator）， 电子数字积分器与计算器）在美国宾夕法尼亚大学诞生。 这是一种用电子管制作的计算机，目的是用来计算炮弹弹道。地面积约63平方米，重达30吨，耗电量150千瓦，造价48万美元，每秒执行5000次加法或400次乘法 。,1.1.1 单片机的发展历程,20世纪70年代微处理器出现：小型、廉价，可以嵌入到控制对象中实现智能

5、控制，产生了嵌入式计算机系统（即嵌入式系统）。 嵌入式系统（Embedded system） ：是一种软、硬件一体化，为特定应用而设计的专用计算机系统，用以完成预先定义的特定任务 。,（1）通用计算机系统： （面向数据处理） 286386486586(PENTIUM)PENTIUMIIPENTIUM III,（2）嵌入式计算机系统：（面向控智能制） 向单片化、增强控制能力的方向发展。 单片机时代到来。,由此计算机技术的两大分支产生：,单片机的两种应用模式：,1.1.2 单片机技术的多学科交叉特点,（2）计算机应用模式：以计算机专业人员为主，从计算机专业的角度介入嵌入式系统应用，使用嵌入式软、硬

6、件平台，以通信、网络为主要应用。特点：有明显的计算机工程应用特点，但通常对电路系统特性、基本外围电路设计方法、对具体应用对象专业知识了解不够。,（1）电子系统设计模式：以电子应用工程师为主体，将单片机当作一个器件来使用，实现电子系统的智能化。特点：软/硬件的底层性、随意性，与应用对象的专业技术密切相关，缺少计算机工程设计方法。,微处理器：主要任务进行数据分析和处理，向高速运算、大规模、大容量存储器方向发展。,1.1.3 单片机的功能结构特征,单片机：着眼于嵌入式控制，向增强控制功能、提高可靠性、灵活方便的方向发展。,1. 单片机与微型计算机的基本功能组成部分,图 1.1 微机组成结构框图,微型

7、计算机的基本组成结构： 以总线的方式将CPU、存储器、I/O接口有机地相连，通过I/O接口配置各种外部设备构成微机硬件系统。 三大总线：地址总线、控制总线、数据总线。,针对嵌入式应用的要求，单片机中加入了各种实时控制器件。 单片机：将CPU、ROM、RAM、I/O接口、实时控制器件集成到一个芯片上。单片机和输入/输出设备即可构成微型计算机。,图1.2 单片机组成框图,集成在一个芯片上,2. 单片机与通用微机不同的功能结构特征,三大组成部分上的区别：,CPU：构成微型计算机的核心部件，由运算器、控制器 及 若干寄存器构成。 单板机：CPU、存储器、I/O接口电路 及 简单的输入/输出设备组装在一

8、块印刷电路板上。 微型计算机：将CPU、存储器、I/O接口电路通过总线连接成的一个整体。 微型计算机系统：微型计算机、外部设备、电源、系统软件构成。,几个常用名词的区别：,小结：单片机与通用微机的区别,（3）功能结构不同,CPU,存储器系统,总线及外设,（1）应用对象不同,（2）发展方向不同,单芯片？,实时控制器件,三大组成部分方面,2、8位单片机：1976年Intel公司MCS-48系列 1980年Intel公司MCS-51系列等 目前应用：自动化装置、智能仪器仪表、家用电器等,1.2 单片机的发展,1.2.1 单片机的发展概况,1、4位单片机 ：1971年Intel公司的4004 目前应用

9、：鼠标器、玩具、电池充电器、家用电器遥控器等,3、16位单片机：1983年Intel公司MCS-96系列 TI公司MSP430系列（功耗低） 目前应用：工业控制、智能仪器仪表、 便携式设备,5、64位单片机 英国Inmos公司的 T800系列 目前主要应用：引擎控制、 智能机器人、语音/图像通信等,4、32位单片机 以ARM系列单片机为代表 目前主要应用：激光打印机、网络服务器、汽车导航仪、智能手机、智能机器人等,从体系结构上看, 单片机自诞生以来, 经历了从SCM到MCU再到SOC的发展过程。以51系列单片机为例： （1）SCM：单片微型计算机，力求单片化，以方便嵌入式应用。 以Intel公

10、司的MCS-51为代表。 （2）MCU：微控制器，扩展各种控制功能，增强控制能力。 以Philips公司的80C51为代表。 （3）SOC：片上系统，力求用单芯片实现应用系统设计。 以美国Cygnal公司的C8051F系列为代表。 ADC、DAC、电压比较器、看门狗定时器、可编程计数器/定时器阵列、I2C、SPI、SMBus总线等等。,1.2.2 单片机技术的发展,1. 体系结构的变化,（4）SOPC：片上可编程系统,用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上,它不是简单的SOC，而是可编程系统，具有极高的灵活性，可裁减、可扩充、可升级，具备软硬件在系统可编程的功能。SOPC被称为“半导体产业的

11、未来”。 以美国Altera公司的NiosII及Xilinx公司的MicroBlaze 为代表。,至少包含一个嵌入式处理器内核； 丰富的IPCore资源可供选择； 足够的片上可编程逻辑资源； 处理器调试接口和FPGA编程接口； 可能包含部分可编程模拟电路； 单芯片、低功耗、微封装。,提高单片机的抗干扰能力、降低噪声和时钟频率，同时提高运算速度是单片机技术发展的一个方向。 （1）改善了单片机的内部时序。在不提高时钟频率的条件下, 提高运算速度。 （2）使用锁相环技术或内部倍频技术。使单片机内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，从而既提高运算速度又降低噪声。,2. 单片机速度越来越快,单片机的应用

12、日益广泛，以电池供电的应用越来越多，而且由于产品体积的限制，很多是用钮扣电池供电，要求系统功耗尽可能低，如手持式仪表、水表、燃气表、玩具等。 （1）为降低功耗，几乎所有的单片机都有Wait、 Stop等省电运行方式。 （2）为降低功耗、同时提高运算速度，可进一步降低单片机供电电压。,3. 低电压与低功耗,为提高单片机系统的抗电磁干扰能力, 使产品能适应恶劣的工作环境, 满足电磁兼容性方面更高标准的要求, 各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施： （1）单片机片内增加了看门狗定时器。 （2）单片机内部增加了抗EMI电路，进一步增强看门狗定时器的性能。,4. 低噪声与高可靠性技术,注

13、：看门狗的作用是防止程序发生死循环 。,（1）掩膜单片机 其内部程序在单片机厂家生产时候就固化了，无法再更改，程序存储器采用ROM，生产周期长，适合成熟的产品。大批量下成本低。 （2）OTP(One Time Programable)单片机 是一次性写入的单片机，内部程序存储器采用熔丝技术，编程过程是烧断一些熔丝，这一过程不可逆。适合既要求一定灵活性，又要求低成本的应用场合，尤其是功能不断翻新、需要迅速量产的电子产品。 价格略高于掩膜单片机。,5. OTP与掩膜,MTP（multiple time programmable）:多次可编程 内部程序存储器采用EEPROM或Flash ROM，程序

14、可以反复擦写，灵活性很强，适合对价格不敏感的应用场合或做开发用途。价格稍高于OTP产品。,6. MTP向OTP挑战,在线编程目前有两种不同方式: (1) ISP(In System Programming), 即在系统编程。“在系统编程”，即不用脱离系统，使用下载线写入程序。 但程序升级需要到现场解决。 (2) IAP(In Application Programming), 即在应用编程。芯片本身(或通过外围的芯片)可以通过一系列操作将程序写入 ，可以远程实现程序升级。,7. 在线编程技术,一些新型的SOC单片机都具有在线仿真功能, 这些单片机都配置了JTAG接口。 JTAG (Joint

15、Test Action Group, 联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议(IEEE 1149.1兼容), 主要用于芯片内部测试。,8. 在线仿真技术,单片机增加I2C、 SPI串行接口功能是为了方便系统与外围设备连接。 用户可以通过I2C、 SPI串行接口连接诸如传感器等设备, 完成检测功能, 同时把系统情况通过串口传送给上位机管理系统, 完成远程设备的控制。 大部分单片机厂家的后继产品都提供了这样的功能。,9. 增加I2C、 SPI串行接口功能,与通用微机相比较, 单片机在结构、 指令设置上均有其独特之处, 主要特点如下:,1.3 单片机的特点及应用,1.3.1 单片机的特点,(1)

16、单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。 ROM称为程序存储器, 只存放程序、 固定常数及数据表格。 RAM则为数据存储器, 用作工作区及存放用户数据。,(2) 采用面向控制的指令系统。 为满足控制的需要, 单片机有更强的逻辑控制能力, 特别是单片机具有很强的位处理能力。,(3) 单片机的I/O引脚通常是多功能的。 由于单片机芯片上引脚数目有限, 为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾, 采用了引脚功能复用的方法, 引脚处于何种功能, 可由指令来设置或由机器状态来区分。,(4) 单片机的外部扩展能力很强。 在内部的各种功能部件不能满足应用需求时, 均可在外部进行扩展(如扩展ROM、 RAM, I/O接口, 定时器/计数器, 中断系统等), 与许多通用的微机接口芯片兼容, 给应用系统设计带来极大的方便。,单片机的应用范围十分广泛, 主要的应用领域有:,1.3.2 单片机的应用,(2) 仪器仪表：如智能仪器、 医疗器械、 数字示波器等。,(1) 工业控制： 单片机可以构成各种工业控制系统、 数据采集系统等,